石門(mén)國(guó)家森林公園典型杉木林土壤理化特性分析

莫志安，賴武婷，李俊杰，連人豪，胡彩麗，張慧琳，袁富堅(jiān)

（1.廣州市石門(mén)國(guó)家森林公園管理中心，廣東 廣州 510976；2.廣州碳匯林業(yè)有限公司，廣東 廣州 510650）

【研究意義】森林公園是以森林自然環(huán)境為依托，具有優(yōu)美的環(huán)境和科學(xué)教育、游覽休閑價(jià)值的地域，經(jīng)科學(xué)保護(hù)和適度建設(shè)，為人們提供旅游、觀光、休閑和科學(xué)文化活動(dòng)的特定場(chǎng)所［1］。近年來(lái)，隨著國(guó)有林場(chǎng)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型，越來(lái)越多的國(guó)有林場(chǎng)向森林公園方向建設(shè)發(fā)展。以森林公園為依托，研究熱點(diǎn)主要集中在森林旅游資源、森林康養(yǎng)旅游、游客體驗(yàn)與需求等方面［2］。據(jù)世界衛(wèi)生組織健康狀況調(diào)查顯示，全球范圍內(nèi)符合真正健康標(biāo)準(zhǔn)的人僅占5%，而在非健康狀態(tài)人群中，經(jīng)醫(yī)院診斷患各種疾病的占20%，處于亞健康狀態(tài)占75%［3］。森林康養(yǎng)作為輔助亞健康治療的一種重要方式，越來(lái)越受到人們的青睞［4］。有研究表明，針葉樹(shù)種葉片中植物精氣的相對(duì)含量較高，如杉木針葉中重要精氣單萜烯含量可達(dá)81.84%［5］，是當(dāng)前森林康養(yǎng)中的重要林分類型。石門(mén)國(guó)家森林公園位于廣東省廣州市，擁有典型的南亞熱帶杉木純林和混交林，但長(zhǎng)期以來(lái)受人為活動(dòng)干擾較大，林地土壤肥力質(zhì)量下降，導(dǎo)致林分質(zhì)量下降等問(wèn)題，影響了杉木康養(yǎng)林功能發(fā)揮。土壤肥力評(píng)價(jià)能夠揭示土壤利用和功能有關(guān)的內(nèi)在屬性之間的異同，科學(xué)確定森林土壤肥力指標(biāo)并進(jìn)行肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)立地生產(chǎn)力和多目標(biāo)森林經(jīng)營(yíng)的研究有著重要意義［6-7］。研究杉木林土壤肥力及其理化特性是實(shí)現(xiàn)杉木林分生態(tài)效能的重要方面?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前我國(guó)對(duì)南亞熱帶杉木土壤理化性質(zhì)的研究大多集中在不同林齡、不同林分密度或不同林分結(jié)構(gòu)間土壤養(yǎng)分對(duì)比［8-10］，對(duì)杉木施肥的研究主要在杉木苗期階段［11-12］，有專門(mén)針對(duì)林木或杉木人工林的施肥研究［13-15］，但均未提出有針對(duì)性的測(cè)土施肥的方法?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于土壤質(zhì)量與土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)特性緊密相關(guān)［16］，本研究重點(diǎn)對(duì)石門(mén)國(guó)家森林公園典型杉木林土壤理化性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)評(píng)，根據(jù)現(xiàn)有土壤養(yǎng)分含量測(cè)算杉木施肥用量。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)測(cè)土施肥，探索適宜石門(mén)國(guó)家森林公園杉木林的施肥配方，解決石門(mén)國(guó)家森林公園杉木林的土壤肥力質(zhì)量下降、林分質(zhì)量下降等問(wèn)題，同時(shí)也為南亞熱帶森林公園杉木林經(jīng)營(yíng)的地力維護(hù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查地概況

調(diào)查區(qū)位于廣東省廣州市石門(mén)國(guó)家森林公園（23°36′～ 23°39′N(xiāo)，113°46′～ 113°49′E），北回歸線北側(cè)，屬南亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫21 ℃，極端高溫39.2 ℃，極端低溫為-1.5 ℃，年平均降雨量在2 100 mm以上，主要降水季節(jié)集中在5—8月份，相對(duì)濕度在80%以上。土壤以赤紅壤為主，土層深厚，利于各種植物生長(zhǎng)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)定與土壤取樣

根據(jù)杉木林分分布與生長(zhǎng)情況，選擇有代表性的3個(gè)工區(qū)共計(jì)6個(gè)小班的杉木林分中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，具體為：石灶工區(qū)10、11、12、23小班，白茫潭工區(qū)22小班，塘仔工區(qū)3小班，每個(gè)小班布設(shè)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地（白茫潭工區(qū)22小班因面積過(guò)小、地形狹長(zhǎng)，只設(shè)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地），標(biāo)準(zhǔn)地大小為400 m2，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)角線位置的上、中、下位置分別設(shè)土壤取樣點(diǎn)。每個(gè)樣點(diǎn)分別在0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，采用多點(diǎn)取樣，同層次混合，取土壤各層次混合樣品，風(fēng)干，除石礫、植物根系及碎屑，經(jīng)2.000、0.149 mm土壤篩篩選后儲(chǔ)于密封的塑料自封袋中，隨后用于土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定（pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀等）。 采用環(huán)刀在垂直剖面的 0～20、20～40、40～60 cm 土層自上而下逐層從中心典型部位取土樣，分別用密封袋裝起來(lái)，并貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定其物理性質(zhì)，包括土壤容重、總孔隙度等。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法

土壤pH值采用電位法測(cè)定，容重、孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定，全氮采用凱氏法測(cè)定，全磷采用硫酸—高氯酸酸溶鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀采用火焰光度法測(cè)定，水解性氮采用堿解—擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用鹽酸—硫酸浸提法測(cè)定，速效鉀采用1mol/L乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定［17］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木林土壤物理性質(zhì)測(cè)評(píng)

從表1可以看出，調(diào)查區(qū)各工區(qū)各小班土壤容重和總孔隙度在A層（土壤垂直剖面的0～20 cm）、B層（土壤垂直剖面的20～40 cm）、C層（土壤垂直剖面的40～60 cm）間差異不顯著，表明調(diào)查區(qū)杉木林土壤容重和總孔隙度水平層次特性較為一致。但從土層層間看，土壤容重從A層到C層大體呈遞增的趨勢(shì)，總孔隙度從A層到C層呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明土壤越往下越緊實(shí)。土層A與B、C的容重存在顯著差異，土層B與C的容重差異不顯著。另外，土層A與C的總孔隙度存在顯著差異，土層B與A、C的總孔隙度差異不顯著。

2.2 杉木林土壤化學(xué)性質(zhì)分析

調(diào)查區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2，調(diào)查區(qū)內(nèi)的土壤多是坡積物母質(zhì)發(fā)育形成的赤紅壤。調(diào)查結(jié)果顯示，所有土壤均屬于酸性，pH值介于4.60（石灶12小班）～4.87（塘仔3小班）間，塘仔3小班與石灶10、12、23小班之間存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。而調(diào)查區(qū)內(nèi)各小班土壤有機(jī)質(zhì)平均含量在25.83～55.32 g/kg之間，塘仔3小班與石灶12小班有機(jī)質(zhì)含量存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。另外，調(diào)查區(qū)內(nèi)各小班土壤全氮平均含量在1.09～2.09 g/kg之間，塘仔3小班與石灶12小班全氮含量存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。各林地類型土壤堿解氮平均含量在93.42～174.98 mg/kg之間，塘仔3小班與石灶11、12小班的堿解氮含量存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。各小班堿解氮含量與全氮含量情況基本一致。此外，調(diào)查區(qū)內(nèi)各小班土壤全磷平均含量介于0.08～0.32 g/kg之間，石灶10小班最大，白茫潭22小班最小，最大值是最小值的4倍，白茫潭22小班全磷含量與石灶10、11、23小班以及塘仔3小班存在顯著差異；石灶12小班與石灶10小班以及塘仔3小班存在顯著差異。各小班土壤有效磷平均含量在0.32～1.29 mg/kg之間，石灶12小班有效磷含量與石灶10、11小班以及塘仔3小班存在顯著差異。在鉀含量方面，調(diào)查區(qū)內(nèi)各小班土壤全鉀平均含量在5.49～13.45 g/kg之間，石灶10小班全鉀含量與石灶12、23小班以及白芒潭22小班、塘仔3小班都存在顯著差異；塘仔3小班全鉀含量與石灶各小班均存在顯著差異；白芒潭22小班全鉀含量與石灶各小班均存在顯著差異。各小班土壤速效鉀平均含量在19.54～79.50 mg/kg之間，白茫潭22小班速效鉀含量與其他小班存在顯著差異；石灶10小班與12小班也存在顯著差異。

表1 不同工區(qū)小班土壤物理性質(zhì)Table 1 Soil physical properties of sub-compartments in different work areas

表2 不同工區(qū)小班土壤化學(xué)性質(zhì)Table 2 Soil chemical properties of sub-compartments in different work areas

2.3 杉木林土壤養(yǎng)分含量分級(jí)

土壤養(yǎng)分含量分級(jí)情況見(jiàn)表3。將調(diào)查區(qū)土壤養(yǎng)分含量與全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，以確定調(diào)查區(qū)土壤養(yǎng)分肥缺狀況。比對(duì)結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)內(nèi)各林地類型土壤有機(jī)質(zhì)平均值均在三級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)，含量中等偏上，石灶的11、12、23小班有機(jī)質(zhì)含量均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量較為豐富。而調(diào)查區(qū)內(nèi)各林地類型土壤全氮、堿解氮平均值均在三級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)，含量中等偏上，石灶11、12、23小班氮元素含量均達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，石灶工區(qū)10小班堿解氮含量也達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，整體來(lái)看調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤氮元素含量較為豐富，其中石灶工區(qū)的土壤氮元素又較白茫潭工區(qū)和塘仔工區(qū)含量更為豐富。另外，調(diào)查區(qū)內(nèi)各林地類型土壤全磷平均值均在五級(jí)及以下標(biāo)準(zhǔn)，含量偏低；有效磷平均值均在六級(jí)水平，含量很低。由此可知，調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤嚴(yán)重缺乏磷元素，其中白茫潭工區(qū)的磷元素含量是最低的。此外，調(diào)查區(qū)內(nèi)各林地類型土壤全鉀平均值均在四級(jí)及以下標(biāo)準(zhǔn)，含量偏低；速效鉀平均值除了白茫潭工區(qū)22小班為四級(jí)以外，其他小班均在四級(jí)以下標(biāo)準(zhǔn)，含量很低。調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤普遍缺乏鉀元素。

表3 不同工區(qū)小班土壤養(yǎng)分含量分級(jí)情況Table 3 Classification of soil nutrient contents of sub-compartments in different work areas

2.4 杉木林土壤化學(xué)指標(biāo)間相關(guān)性分析

由表4可知，土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀極顯著相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)，其中有機(jī)質(zhì)與全氮相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995，與堿解氮相關(guān)系數(shù)也高達(dá)0.982，可見(jiàn)土壤有機(jī)質(zhì)與氮元素的相關(guān)性是極為顯著的。土壤氮磷鉀含量中，只有全氮與堿解氮呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，全磷與有效磷、全鉀與速效鉀之間均沒(méi)有顯著相關(guān)性。

表4 土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of soil chemical properties

3 討論

就土壤酸堿性及物理性質(zhì)而言，位于南亞熱帶的石門(mén)國(guó)家森林公園土壤均呈酸性（pH值介于4.60～4.87間）。針葉純林和針闊混交林中的針葉樹(shù)種凋落葉的灰分少，含樹(shù)脂、單寧等酸性物質(zhì)，可能是引起土壤酸性增加的重要原因［18］。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局土壤質(zhì)量研究所1999年編撰的《Soil quality test kit guide》，壤土理想的土壤容重＜1.40 g/cm3，影響植物生長(zhǎng)的容重為1.63 g/cm3，限制植物生長(zhǎng)的容重＞ 1.80 g/cm3［19］。一般土壤孔隙度在35%～65%之間，適于植物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤總孔隙度為50～60%［20］。調(diào)查區(qū)土壤為赤紅壤，土壤容重平均值在0.98～1.35 g/cm3之間，屬理想的土壤容重范疇。土壤總孔隙度平均值在30.46%～50.25%之間，除了石灶工區(qū)11小班0～20 cm土層土壤總孔隙度之外，其他小班各土層的總孔隙度均未在適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育范圍內(nèi)，說(shuō)明調(diào)查區(qū)土壤總孔隙度對(duì)植物根系可能有一定影響，在撫育時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃赏痢?/p>

從土壤化學(xué)性質(zhì)尤其是營(yíng)養(yǎng)含量看，位于南亞熱帶的石門(mén)國(guó)家森林公園土壤有機(jī)質(zhì)含量中等偏上，較為豐富，對(duì)植物生長(zhǎng)有利；土壤氮素含量與《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》相比，均處于三級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)，含量中等偏上，說(shuō)明調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤氮元素含量較為豐富，不缺乏氮素；磷素、鉀素含量與《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》相比，均處于四級(jí)及以下水平，含量偏低，說(shuō)明調(diào)查區(qū)土壤嚴(yán)重缺乏磷素和鉀素。速效鉀含量低的原因可能與土壤全鉀含量低及廣州雨量大，林地土壤酸性強(qiáng)，造成鉀離子被淋失有關(guān)［18］。

土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析表明，位于南亞熱帶的石門(mén)國(guó)家森林公園土壤pH值顯著影響有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量，pH值通過(guò)影響土壤中微生物活動(dòng)從而影響土壤有機(jī)質(zhì)含量。有研究表明，土壤的酸堿性會(huì)影響土壤養(yǎng)分的有效性，土壤中磷的有效性明顯受酸堿性的影響，在pH低于6時(shí)，磷酸鈣或磷酸鐵、磷酸鋁形成遲效態(tài)，使有效性降低，鉀在酸性土壤中既易代換也易淋失［21］?？梢?jiàn)，土壤酸性過(guò)大是引起土壤中有效磷、速效鉀含量較低的原因之一。土壤有機(jī)質(zhì)與全氮和有效氮、磷、鉀呈極顯著正相關(guān)，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來(lái)源［22］。土壤氮素大部分來(lái)自于有機(jī)質(zhì)，較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量為土壤堿解氮提供了較豐富的來(lái)源［23］。張啟新等［24］通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)性，證明土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在人類活動(dòng)影響較小的區(qū)域存在極顯著相關(guān)性。土壤有機(jī)質(zhì)可以提供豐富的磷庫(kù)，還可以通過(guò)減少土壤對(duì)磷的固定、促進(jìn)土壤沉淀態(tài)磷的溶解等機(jī)制提高土壤磷的有效性［25］。有機(jī)質(zhì)與速效鉀也呈極顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)殁浽谕寥乐兄饕且詿o(wú)機(jī)態(tài)存在，土壤中有機(jī)質(zhì)的存在能夠幫助固定鉀，促進(jìn)土壤養(yǎng)分利用效率，所以會(huì)與速效鉀含量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性［22］。

蘇木榮等［8］對(duì)南亞熱帶不同林齡杉木針闊混交林土壤理化性質(zhì)分析數(shù)據(jù)顯示土壤養(yǎng)分含量中除了全鉀以外，其他養(yǎng)分含量均在四級(jí)及以下水平，含量偏低，尤其是有效磷和速效鉀的含量很低。肖石紅等［10］研究南亞熱帶杉木和紅錐林及其混交林的土壤肥力，結(jié)果表明杉木純林土壤肥力較差。黃志宏等［26］研究中亞熱帶地區(qū)廣東南嶺常綠闊葉林、針闊混交林、毛竹林、馬尾松林、杉木林5種不同林分類型土壤養(yǎng)分狀況，結(jié)果表明杉木林在所有研究的林分中土壤肥力是最差的，K含量屬于較低水平，尤其缺乏P元素，全N含量中等。張偉紅等［27］對(duì)中亞熱帶南嶺山區(qū)杉木土壤調(diào)查研究表明，南嶺山區(qū)杉木土壤有機(jī)質(zhì)和氮元素在不同的林齡的林地含量不同，但各林齡林地均普遍缺乏磷元素和速效鉀?？梢?jiàn)，不管是在南亞熱帶還是中亞熱帶地區(qū)，杉木林土壤的養(yǎng)分含量均不高，尤其缺乏磷元素和鉀元素。

李惠通等［11］研究發(fā)現(xiàn)，杉木對(duì)鉀肥的需求量最大，其次是磷肥、氮肥。劉躍鈞等［28］研究表明平衡施肥可以有效增加杉木徑生長(zhǎng)。任麗娜等［14］研究表明，土壤堿解氮＜50 mg/kg、有效磷＜5 mg/kg、速效鉀＜66 mg/kg時(shí)，即三要素供給水平較低，施肥就有明顯增產(chǎn)效果，有效養(yǎng)分含量愈高，施肥效果愈差。據(jù)我國(guó)土壤農(nóng)化界13位著名土壤農(nóng)化專家、中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院院士向國(guó)家有關(guān)部委提交的“我國(guó)化肥面臨的突出問(wèn)題及建議”的報(bào)告（1997）中指出，我國(guó)化肥當(dāng)季利用率氮約為30%～35%，磷約為10%～20%，鉀約為35%～50%。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)查區(qū)堿解氮平均含量134.6 mg/kg遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平衡施肥的堿解氮上限50 mg/kg，因此下一步平衡施肥需選用磷肥、鉀肥或者磷、鉀復(fù)混肥等進(jìn)行追肥。調(diào)查區(qū)有效磷和速效鉀的平均含量分別為0.65 mg/kg和38.08 mg/kg，遠(yuǎn)低于平衡施肥的上限值5 mg/kg和66 mg/kg。按照磷15%、鉀42.5%的利用率計(jì)算，則調(diào)查區(qū)平衡施肥有效磷和速效鉀的施用量最大值為29 mg/kg和65.69 mg/kg。

常規(guī)化學(xué)肥料施入土壤中，肥料的利用率很低，肥效時(shí)間僅能維持3～4個(gè)月，肥料淋溶流失、浪費(fèi)嚴(yán)重［29］。有研究表明，緩釋肥因其肥料釋放量的可控性及施肥操作的便利性，更適宜多年生林木的施肥需求，通過(guò)多層精確包膜技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的精密控制釋放［31］。因此，在后續(xù)的撫育施肥中，建議施用緩釋肥，可有效解決傳統(tǒng)化肥養(yǎng)分流失快、肥料利用率低、易對(duì)環(huán)境造成污染等問(wèn)題。

4 結(jié)論

石門(mén)國(guó)家森林公園各工區(qū)土壤容重和總孔隙 度 在 0～20、20～40、40～60 cm 土 層 間 差 異不顯著，水平層次特性一致，土壤pH值介于4.60～4.87之間，屬酸性土壤，土壤有機(jī)質(zhì)含量介于25.83～55.32 g/kg間，在全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中屬于三級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)，含量中等偏上；全氮含量在1.09～2.09 g/kg間，堿解氮含量在93.42～174.98 mg/kg間，氮元素含量在三級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)，含量中等偏上；全磷含量介于0.08～0.32 g/kg間，有效磷含量在0.32～1.29 mg/kg間，磷元素含量在五級(jí)及以下標(biāo)準(zhǔn)，含量偏低；全鉀含量在5.49～13.45 g/kg間，速效鉀含量在19.54～79.50 mg/kg間，鉀元素含量在四級(jí)及以下標(biāo)準(zhǔn)，含量偏低。調(diào)查區(qū)土壤氮元素含量較為豐富，缺乏磷素和鉀素，下一步平衡施肥需選用磷肥、鉀肥或者磷、鉀復(fù)混肥等進(jìn)行追肥。